Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Енергетичнi та теплотехнiчнi процеси й устаткування

Пошук та аналіз способів підвищення потужності і ефективності турбодетандерів, які працюють на суміші природного газу

Олександр Усатий — 2025-06-13

Однією з високоефективних сучасних альтернативних технологій виробництва електроенергії без нанесення практичної шкоди навколишньому середовищу є використання енергії стиснутого природного газу. Цей газ використовується як робоче тіло, зокрема в осьових турбодетандерах. Україна має значні родовища природного газу та розгалужену мережу магістральних трубопроводів для перекачування газу під високим тиском. Тому підвищення ефективності перетворення енергії стиснутого природного газу в механічну роботу для приводу електрогенераторів є важливою і актуальною задачею. В роботі наведені результати аналізу впливу основних геометричних параметрів проточних частин осьових турбодетандерів на їх ефективність. Для проведення розрахункових досліджень використано удосконалену математичну модель одновимірної течії в проточній частині та алгоритму, що її реалізує в програмному комплексі TurboOptProject (TOP). Розроблені алгоритми, що описують рівняння стану 9-компонентної суміші природного газу в діапазоні зміни параметрів, які відповідають умовам роботи вихідного і оптимального варіантів турбодетандера. Також враховано взаємодію і вплив на ефективність проточної частини протікань в кінцеві ущільнення системи регулювання осьового зусилля на ротор. Для отримання оптимального варіанту турбодетандера виконано удосконалення оптимізаційного алгоритму багаторівневої оптимізації складних технічних об’єктів. Проведені розрахункові дослідження та аналіз їх результатів показали можливість підвищення потужності оптимального варіанту проточної частини турбодетандера на 125,81 кВт (з 1608,86 кВт до 1734,67 кВт), а внутрішнього відносного ККД на 6,17 % (з 77,34 % до 83,51 %) в порівнянні з вихідним варіантом проточної частини.

Оцінка початкового стану басейну розплаву при деградації активної з горизонтальним розміщенням ТВЗ

Владислав Філонов — 2025-06-13

В роботі розглянуто перше наближення в оцінці початкового стану коріуму в нижній камері змішування під час пізньої стадії важкої аварії перспективного малого модульного реактора проекту ЕСС-SMART [1]. Особливості наведеного аналізу пов’язані як з початковим надкритичним станом теплоносія, так і з горизонтальною компоновкою активної зони у вигляді системи паралельних тепловиділяючих збірок із семирівневою системою заходу теплоносія [2]. Існуючі галузеві розрахункові системні інструменти є обмеженими в представлені оригінальної геометричної конфігурації проточної частини реактора, та зокрема активної зони. До того ж досі виникають суттєві складності із врахуванням декомпресії із надкритичного стану в двофазний, що суттєво обмежує виконання оцінок застосовуючи один аналітичний інструментарій. В даній роботі розглянуті основні принципи послідовного еквівалентного наближення, що дозволяє суттєво спростити аналіз за рахунок виокремлення стадій, в яких домінантним є лише один феномен. Наприклад оцінка параметрів декомпресії і ударних навантажень є першим етапом, безпосередня деградація активної зони та формування басейну розплаву – другий етап. Третій етап – це детальна оцінка деградації корпусу реактора. В даній роботі увага акцентується саме на другому етапі. Для цього була підготовлена швидка розрахункова модель в пакеті MELCOR 1.8.6 з еквівалентним наближенням по масовим долям «компонентів» в проточній частині. Крім того, концептуальна конструкція нижньої камери змішування реактора SCW-SMR подібна до типової на реакторах PWR. Результати розрахункових сценаріїв дозволили сформувати загальну картину перебігу деградації активної зони реактора на ранній фазі важкої аварії для обраних початкових умов, а також оцінити характеристики накопиченого розплаву в нижній камері змішування на пізній фазі внутрішньокорпусної стадії. Отримані результати є вхідним набором для подальшої оцінки деградації корпусу реактора.

Проблема оцінки надійності і залишкового ресурсу довготривало працюючих зварних з’єднань паропроводів ТЕС

Віталій Дмитрик — 2025-06-13

Визначення надійності зварних з’єднань паропроводів із теплостійких перлітних сталей, які тривалий час (понад 270 тис. год) експлуатуються в умовах повзучості та втоми, набуло виняткової актуальності. Метою роботи є визначення напрямку розвитку нормативних положень стосовно надійності зварних з’єднань паропроводів, які довготривало експлуатуються в умовах повзучості та втоми. Для досягнення мети задіяли відповідні методи дослідження і аналізу структурно-фазового стану, визначення хімічного складу і фізико-механічних властивостей металу зварних з’єднань, а також визначення рівня їх пошкоджуваності. Встановили, що пошкоджуваність металу зварних з’єднань значною мірою залежить від його структурно-фазового стану. Зі збільшенням напрацювання зварних з’єднань у їх вихідній структурі поступово формується, і відповідно, збільшується як її складова, ферито-карбідна суміш. Присутність такої суміші сприяє прискоренню пошкоджуваності зварних з’єднань, яка проходить за механізмами повзучості та втоми. Обґрунтували доцільність виявлення ферито-карбідної суміші у структурі зварних з’єднань шляхом використання удосконалених і розробки нових методів контролю якості. Для отримання результатів запропонували удосконалювання методів контролю якості зварних з’єднань паропроводів, які довготривало працюють в умовах повзучості і втоми. Обґрунтували, що при розробці нових і вдосконаленні штатних методів контролю якості металу зварних з’єднань, які довготривало експлуатуються в умовах повзучості та втоми, необхідно враховувати їх структурно-фазовий стан, що дозволить збільшити надійність роботи зварних з’єднань. Удосконалення відомих, а також розробка нових методів і методик контролю якості металу паропроводів і їх зварних з’єднань, дозволить підвищити оцінку їх структурно-фазового стану і наявності пошкоджуваності. Урахування отриманих результатів, стосовно нових нормативних положень, дозволить підвищити оцінку надійності подальшої експлуатації старіючих паропроводів і їх зварних з’єднань, а також визначити їх залишковий ресурс.

CFD-моделювання процесів теплообміну в паливні котла ГМ-50

Олександр Баранюк — 2025-06-13

Робота присвячена аналізу доцільності заміни штатних пальників котла ГМ-50 (Е-50-3,9-440ГМ) на пальники, що працюють за струменево-нішевою технологією (СНТ). Дослідження проводилось із використанням програмного комплексу ANSYS Student. Чисельне моделювання дало змогу детально проаналізувати процес спалювання палива в паровому котлі, оцінити його ефективність та вивчити вплив на екологічні показники. Об’єктом дослідження є процеси, які відбуваються при спалюванні газоподібного палива, та їхній вплив на показники роботи енергетичного котла ГМ-50. Предметом дослідження є CFD-модель паливного котла ГМ-50, штатні пальники якого здатні працювати як на рідкому, так і на газоподібному паливі. У моделі використано метан як паливо, а також порівнювались штатні осьові пальники із сучасними струменево-нішевими пальниками, які є більш екологічними. Верифікація CFD-моделі, яка проводилась з використанням результатів експериментального дослідження, отриманими службою енергоресурсів ПАТ «Київенерго», Україна [9] і розрахунків моделі не перевищує 10 %. Параметрами, по яким проводилось порівняння вибрані температура по центру паливні і осереднене по площі перерізу паливні перед фестоном значення NO_x. Також виконано визначення середньої температури димових газів в «вікні фестона» за Нормативним методом, у цьому випадку похибка між розрахунками не перевищує 6,7 %. Встановлено, що штатні пальники котла ГМ-50 признано такими, що не відповідають нормам щодо викидів оксидів азоту та пропонуються їх заміна на струменево-нішеві. Розроблена CFD-модель свідчить про зниження на 20% середнього значення NO_x на виході з паливні при заміні штатних пальників пальниками компанії СНТ. Отриманий результат можна пояснити тим, що для паливні котла, який оснащений пальниками компанії СНТ температура в області активного горіння досягає 1400 °С, а не до 1800 °С як у випадку використання стандартного пальника.

Шляхи підвищення енергоефективності високотемпературних агрегатів на основі розробки раціональних теплових режимів розігрівання

Ірина Назаренко — 2025-06-13

У даній статті розглянуто вдосконалення теплових режимів розігрівання високотемпературного агрегату, що дозволить підвищити ефективність технологічного процесу та сприятиме зниженню витрат. Тема дослідження режимів розігрівання високотемпературних агрегатів є актуальною в контексті підвищення ефективності виробництва металевих виробів та зменшення затрат на виробництво. Виконано розрахунок теплового балансу нагрівання склепіння високотемпературного агрегату. На підставі отриманих результатів і наявності надлишку теплоти в прибутковій частині розрахунковим шляхом виконано підбір тривалості й витрат палива для нового графіку. На основі проведених досліджень розроблено нові раціональні графіки розігрівання склепіння високотемпературного агрегату в залежності від тривалості графіку та обсягу виконаних робіт, що дозволило знизити витрати палива на нагрівання на 10,7 % – 12 %, а також підвищити продуктивність агрегату за рахунок скорішого виходу на робочий режим. Отримані результати можуть бути використані в промисловості для підвищення енергетичної ефективності процесу виробництва металевих виробів та зниження собівартості продукції.

Розрахунковий аналіз динамічних властивостей імпульсних ліній системи захисту парових турбін з електронним автоматом безпеки

Іван Бабаєв — 2025-06-13

У статті розглядаються недоліки і переваги використання механічного та електронного автомату безпеки в системі захисту парових турбін від неприпустимого розгону. Дається обґрунтування використання електронного автомату безпеки для підвищення надійності систем захисту. Проведено розрахунковий аналіз динаміки роботи двох типів схем підключення виконавчих золотників електронного автомату безпеки до імпульсної лінії системи захисту. В першій схемі виконавчі золотники включено паралельно захисним пристроям. Живлення імпульсної лінії захисту виконується через дросельну шайбу. Виконавчі золотники і захисні пристрої здійснюють злив з імпульсної лінії. У другій – виконавчі золотники включено послідовно захисним пристроям. У цій схемі виконавчі золотники здійснють одночасне керування підведенням та зливом робочої рідини з імпульсної лінії захисту. Для кожної схеми розроблено математичні моделі, які представляють собою системи нелінійних диференціальних і алгебраїчних рівнянь. Розрахунок проводився для випадку спрацювання захисту парової турбіни ПТ-25-90/10 яка має електрогідравлічну систему регулювання. Результатами розрахунків показано, що виконавчих золотників електронного автомату безпеки послідовно захисним пристроям дозволяє отримати більшу швидкодію скидання тиску в імпульсній лінії захисту. Дається висновок, що динаміку процесу в значній мірі визначає кількість пружинних вимикачів виконавчих сервомоторів, що включено в імпульсну лінію захисту. Отримані результати можуть бути використані для модернізації систем автоматичного регулювання та захисту парових турбін шляхом впровадження електронного автомата безпеки.

Керування plug-in гібридною енергетичною установкою дизель-поїзду

Сергій Буряковський — 2025-06-13

Метою статті є вивчення умов застосування plug-in гібридної енергетичної установки на дизель-електричному моторвагонному рухомому складі. Застосування накопичувачів енергії на моторвагонному рухомому складі зменшує споживання пального та шкідливих викидів, для чого використовуються різноманітні стратегії керування накопичувачами енергії та дизель-генераторами. На основі аналізу публікацій, присвячених керуванню накопичувачами енергії на рухомому складі, запропоновано використання поняття «еквівалентна вартість кіловат-години енергії» для визначення пріоритетного джерела живлення. На основі запропонованого поняття обґрунтовано керування plug-in гібридною енергетичною установкою дизель-поїзду при заряджанні накопичувача від дизель-генератора та стаціонарного джерела. Запропоновано спосіб оцінки ємності накопичувача з використання поняття «еквівалентна вартість кіловат-години енергії» Проаналізовано та запропоновано алгоритми керування plug-in гібридною енергетичною установою у режимах розгону, вибігу та при стоянці дизель-поїзду.

Визначення параметрів plug-in гібридної тягової системи для промислового маневрового локомотиву

Євген Рябов — 2025-06-13

Досліджено роботу маневрових локомотивів ТЕМ2 та ЧМЕ3 на промислових підприємствах. Шляхом аналізу даних бортових систем обліку параметрів руху визначено параметри та показники експлуатаційних режимів для тепловозів, які виконують маневрові операції та вивізну роботу. Встановлено, що при виконанні маневрових операцій тепловоз працює з дотичною потужністю, яка не перевищує 150 кВт при найбільшій силі тяги, рівній 250 кН. При виконанні вивізної роботи тепловоз працює з дотичною потужністю не вище 420 кВт при найбільшій силі тяги, рівній 350 кН. Визначено, що при виконанні маневрових операцій споживання енергії не перевищує 1000 кВт×год за одну зміну. Для створення уніфікованого локомотиву запропоновано застосування plug-in гібридної тягової системи. Прогнозується, що виконання маневрових операцій буде здійснюватися при живленні від plug-in накопичувача. У випадку виконання вивізної роботи живлення тягового електроприводу буде здійснюватися сумісно від накопичувача та дизель-генератора.

Моторвагонний рухомий склад з акумуляторним живленням

Галина Омеляненко — 2025-06-13

Розглянуто використання накопичувачів енергії на моторвагонному рухомому складі. Проаналізовано рухомий склад європейських та японських виробників, на якому накопичувачі енергії використано для забезпечення живлення при русі неелектрифікованими ділянками. Запропоновано використання та визначено параметри накопичувача енергії для автономного руху моторвагонного поїзду між станціями Мерчик та Богодухів. Це дозволить покращити транспортне обслуговування пасажирів, скоротити експлуатаційні витрати та зменшити вплив на навколишнє середовище.

Підвищення енергетичної ефективності тягового колекторного електроприводу для маневрових тепловозів

Віктор Шайда — 2025-06-13

Досліджено показники енергетичної ефективності тягового електроприводу у режимах роботи з частиною працюючих тягових електродвигунів. Показано, що оптимізація кількості працюючих двигунів залежно від режиму руху дозволяє підвищити ККД тягового електроприводу. Доцільною є динамічна зміна кількості працюючих електродвигунів, що забезпечить стабільність тягового зусилля при рушанні та підвищення енергоефективності тягового приводу при русі. Результати досліджень можуть бути використані при модернізації.

Дослідження процесу споживання енергії автоматизованим шатлом складської системи

Максим Вжеснєвський — 2025-06-13

У вигляді системи двох звичайних диференціальних рівнянь із початковими умовами запропоновано математичну модель, яка дозволяє досліджувати процеси споживання електричної енергії автоматизованим шатлом із двигунами постійного струму, який використовується як засіб автоматизації в сучасних складських системах для транспортування вантажів між стелажами. Запропонована математична модель дозволяє визначати кутову швидкість коліс шатла та струм в обмотуваннях роторів його рушійних електричних двигунів для заданої електричної напруги живлення. Процес споживання електричної енергії характеризується струмом в обмотуванні роторів рушійних електричних двигунів шатла та напругою їхнього живлення. На основі запропонованої математичної моделі виконано дослідження процесу споживання енергії при зрушенні автоматизованого шатла із нерухомого стану до досягнення їм усталеної швидкості миттєво поданою сталою електричною напругою живлення. На розглянутому прикладі показано, що запропонована модель дозволяє досліджувати як перехідні, так й усталені процеси споживання електричної енергії шатлом із двигунами постійного струму при транспортуванні вантажів між стелажами складської системи.